朱經(jīng)緯,何俊杰
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第28研究所,江蘇 南京 210007)
人因工程學(xué)又稱工效學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、人體工學(xué)、人因?qū)W,是一門(mén)重要的工程技術(shù)學(xué)科。人因工程學(xué)是以人的生理、心理特征為依據(jù),應(yīng)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn),分析研究人與機(jī)械、人與環(huán)境,以及機(jī)械與環(huán)境之間的相互作用,為設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)便省力、安全、舒適、人-機(jī)-環(huán)境的配合達(dá)到最佳狀態(tài)的工程系統(tǒng)提供理論和方法的學(xué)科[1]。
近年來(lái),外軍尤其是以美軍為首,特別關(guān)注軍用裝備的人因工程設(shè)計(jì),為此,美軍制訂了較為全面的軍事裝備人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)。其中,MIL-STD-1472《美國(guó)國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)-人因工程》和MIL-HDBK-759C《美國(guó)國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)-人機(jī)工程設(shè)計(jì)指南》提出了較為具體的軍用車(chē)輛人機(jī)工程設(shè)計(jì)要求。MIL-STD-1472標(biāo)準(zhǔn)在后面更新迭代了多個(gè)版本,直到2012年,美軍將上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合并更新,形成最新的MIL-STD-1472G版本,相比之前版本,該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容更加全面和完善,是美軍現(xiàn)行關(guān)于軍用系統(tǒng)、裝備和設(shè)施人機(jī)工程設(shè)計(jì)的最頂層標(biāo)準(zhǔn)[2]。裝備建設(shè)方面,美國(guó)陸軍的信息化建設(shè)采取了2個(gè)重大措施,一是對(duì)現(xiàn)役部隊(duì)進(jìn)行信息化改造,二是編制過(guò)渡型部隊(duì),即“斯特賴克”輪式裝甲車(chē)中型戰(zhàn)斗旅。到2025年以后,現(xiàn)役師、快速反應(yīng)戰(zhàn)斗旅和“斯特賴克”戰(zhàn)斗旅將實(shí)現(xiàn)聯(lián)合化,“斯特賴克”中型戰(zhàn)斗旅將在美國(guó)陸軍完成全面轉(zhuǎn)型前發(fā)揮舉足輕重的作用[3]。輪式裝甲車(chē)的人因工程設(shè)計(jì)在美軍裝備建設(shè)中顯得尤為突出。
我國(guó)軍事裝備人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)主要包括GJB 1835—1993《裝甲車(chē)輛人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求》、GJB 2873—1997《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》以及GJB/Z 131—2002《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》,其中GJB 1835—1993標(biāo)準(zhǔn)是我軍針對(duì)裝甲車(chē)輛制訂的人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn),主要包括人體測(cè)量數(shù)據(jù)與應(yīng)用、空間設(shè)計(jì)、控制器、顯示器、人與計(jì)算機(jī)界面、維修性設(shè)計(jì)、內(nèi)部環(huán)境控制、安全及總體布置應(yīng)用要求等方面,為人機(jī)工程設(shè)計(jì)人員提供了堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。裝備建設(shè)方面,在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里,我國(guó)陸軍的主體是以履帶式車(chē)輛為主的重裝部隊(duì)及以無(wú)裝甲車(chē)輛為主的摩托化部隊(duì),前者遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)能力嚴(yán)重受制于鐵路干線,后者防護(hù)能力有限難以承擔(dān)遠(yuǎn)程突擊作戰(zhàn)。而在新時(shí)期,我軍陸軍經(jīng)過(guò)了“逐步推進(jìn)由區(qū)域防衛(wèi)型向全域機(jī)動(dòng)型轉(zhuǎn)變,提高空地一體、遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)、快速突擊和特種作戰(zhàn)能力”的戰(zhàn)略變革,中輕型機(jī)械化裝備特別是輪式裝甲車(chē)輛技術(shù)的發(fā)展及高速公路網(wǎng)的建設(shè),為實(shí)現(xiàn)新時(shí)代陸軍作戰(zhàn)能力提供了基礎(chǔ)條件。目前,我國(guó)中型機(jī)械化部隊(duì)輪式作戰(zhàn)平臺(tái)的WZ551裝甲車(chē)族,其動(dòng)力冗余和承載空間已不足以適應(yīng)新形勢(shì)下的進(jìn)一步改裝,因此,8×8驅(qū)動(dòng)輪式裝甲車(chē)的設(shè)計(jì)與使用應(yīng)勢(shì)而生,同時(shí)帶來(lái)國(guó)產(chǎn)輪式裝甲車(chē)人因工程設(shè)計(jì)的風(fēng)口。
在人因工程分析中,通過(guò)在數(shù)字三維環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品或者流程的模型進(jìn)行分析,可以減少研發(fā)設(shè)計(jì)成本,縮短工期,提高效率。Jack軟件廣泛應(yīng)用于人因工程分析學(xué)領(lǐng)域,可以制作仿真模型且對(duì)仿真模型進(jìn)行人因分析。由于Jack包含各類(lèi)型的三維人體模型,可以導(dǎo)入CAD建模的實(shí)體模型而創(chuàng)建出任意仿真環(huán)境,且提供可達(dá)域分析、三維人體測(cè)量分析、車(chē)輛分析、人物分析等分析工具,因此,其仿真功能常用于工業(yè)、制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、軍事行業(yè)等領(lǐng)域[4-5]。
Jack軟件已被廣泛應(yīng)用于我國(guó)航空航天、軍事、交通等領(lǐng)域。鞠峰[6]利用CAD建模導(dǎo)入Jack軟件進(jìn)行了“舒適度分析”和“視域分析”,建立了一種基于人機(jī)工程學(xué)的飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)方法。Garcia等[7]利用Jack軟件設(shè)計(jì)了一種便攜式輔助交通工具,通過(guò)“舒適度分析”減少了操作疲勞,可以有效減少人們?cè)诟呙芏却蠖际兄卸叹嚯x通勤的時(shí)間和精力。劉力卓等[8]以和諧號(hào)動(dòng)車(chē)座椅為研究對(duì)象,應(yīng)用Jack軟件建立虛擬人偶,通過(guò)“舒適度分析”發(fā)現(xiàn)座椅設(shè)計(jì)的不合理性,并對(duì)座椅高度、傾角進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),軟件仿真結(jié)果表明座椅乘坐舒適度得以顯著提高。
綜上所述,Jack軟件是一款高效的人因工效評(píng)估軟件,它包含了基礎(chǔ)人體26項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)、關(guān)節(jié)的柔韌性、人的健康狀況、勞累程度和視力限制等醫(yī)學(xué)及生理學(xué)參數(shù)。本文通過(guò)建立虛擬人偶模型和設(shè)備模型,在GJB 1835—1993標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用Jack軟件對(duì)外軍相似底盤(pán)結(jié)構(gòu)的8×8驅(qū)動(dòng)輪式裝甲車(chē)內(nèi)工作席位的“舒適度”“下背部受力”“工作姿勢(shì)”等人因工程進(jìn)行量化分析,為我軍以后8×8驅(qū)動(dòng)輪式裝甲車(chē)車(chē)內(nèi)人因工程的設(shè)計(jì)提供量化指導(dǎo)意見(jiàn)。
本文以人因工程學(xué)的理論和方法研究為基礎(chǔ),將其應(yīng)用于輪式裝甲車(chē)的工作席位,最終實(shí)現(xiàn)工作人員在載員艙以最舒適的姿勢(shì)作業(yè)?;诖四康?,本文的研究思路如圖1所示。
圖1 本文的總體研究思路
輪式裝甲車(chē)人因工程仿真分析基于輪式裝甲車(chē)的仿真模型,為了讓虛擬人偶的感受合理,必須構(gòu)造虛擬人偶和整個(gè)輪式裝甲車(chē)載員艙互動(dòng)的模型,然后通過(guò)計(jì)算機(jī)可視化建模仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,可對(duì)模型進(jìn)行有效改善,人因工程仿真流程如圖2所示。
圖2 人因工程仿真流程圖
美軍輪式裝甲車(chē)在外軍中具有代表性,且在我軍中外形結(jié)構(gòu)與其有相似性,因此本文中的8×8驅(qū)動(dòng)輪式裝甲車(chē)(以下簡(jiǎn)稱輪裝)將依據(jù)美軍新型“斯特賴克”輪裝外形結(jié)構(gòu)尺寸以及內(nèi)部艙體構(gòu)造進(jìn)行仿真建模[9]。簡(jiǎn)化后的載員艙仿真模型如圖3所示。
圖3 簡(jiǎn)化后的載員艙仿真模型
本文主要分析載員艙工作席位的人因工程,本次模型簡(jiǎn)化后主要對(duì)單個(gè)載員的作業(yè)情況進(jìn)行仿真分析,以信息終端處理設(shè)備攜行式計(jì)算機(jī)作為仿真對(duì)象代入載員艙模型,載員艙的座椅模型參照實(shí)際航空座椅標(biāo)準(zhǔn)[10],可隨著載員的體型進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。
基于Jack的人因工程分析主要通過(guò)建立虛擬人體模型,采集模型各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo),側(cè)面反映作業(yè)人員的真實(shí)感受,判斷人因設(shè)計(jì)的合理性,改善當(dāng)前人機(jī)環(huán)設(shè)計(jì)。
因此分析結(jié)果能否準(zhǔn)確反映真實(shí)的狀況直接與人物模型的準(zhǔn)確性有關(guān)。本文依據(jù)GJB 1835—1993《裝甲車(chē)輛人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求》附表中的裝甲車(chē)輛乘員人體尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)及GB/T 12985—1991《在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則》,以第95百分位人體尺寸作為設(shè)計(jì)上限,以第5百分位人體尺寸作為設(shè)計(jì)下限,創(chuàng)建第95、50、5三種百分位的虛擬人偶模型(以下描述簡(jiǎn)化為I5、I50、I95),模型中關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 不同百分位成年人尺寸
首先,依據(jù)GB/T 12985—1991《在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則》中第50百分位中間值人體尺寸建立虛擬人偶模型,導(dǎo)入載員艙仿真模型;依據(jù)GB/T 12984《人類(lèi)工效學(xué) 視覺(jué)信息作業(yè)基本術(shù)語(yǔ)》,確定載員最佳的眼動(dòng)視野(見(jiàn)圖4)。
圖4 最佳的眼動(dòng)視野
以最佳眼動(dòng)視野覆蓋顯示界面作為約束條件,構(gòu)建的虛擬人偶坐姿模型,通過(guò)與載員艙內(nèi)座椅、攜行式計(jì)算機(jī)的互動(dòng)調(diào)整,確定輪裝載員艙人因工程仿真結(jié)果,其中攜行式計(jì)算機(jī)默認(rèn)正對(duì)虛擬人偶中間位置(見(jiàn)圖5)。
圖5 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶人因工程仿真模型
Comfort Assessment(舒適度分析)工具是基于舒適的研究去估計(jì)如何設(shè)計(jì)或改變模型的構(gòu)造才能讓使用者更舒適。本文使用該工具中的Drefuss 3D單關(guān)節(jié)舒適度數(shù)據(jù)庫(kù)作為參考數(shù)據(jù),Drefuss 3D參考了大量的研究證明關(guān)于大部分情況下都可以使人感到舒適的人體活動(dòng)區(qū)域,并特別適用于研究坐姿情況下的動(dòng)作分析。舒適度研究是對(duì)特定姿勢(shì)下某些關(guān)節(jié)的彎曲范圍進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)條中有關(guān)節(jié)的名稱,統(tǒng)計(jì)條顯示的就是關(guān)節(jié)的舒適程度,仿真結(jié)果如圖6所示。
圖6 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶舒適度仿真結(jié)果
Mode(典型)值是指“大多數(shù)司機(jī)可接受的值”。通過(guò)對(duì)眾多開(kāi)車(chē)人員的觀察,各個(gè)關(guān)節(jié)的姿勢(shì)被記錄下來(lái)。最常觀察到的姿勢(shì)就是Mode(典型)姿勢(shì)。圖中塊狀數(shù)據(jù)條的長(zhǎng)度顯示和標(biāo)準(zhǔn)值的差距,深色的條表示該關(guān)節(jié)的舒適度高,淺色的條表示該關(guān)節(jié)的舒適度低,不利于長(zhǎng)期作業(yè)。
根據(jù)GJB 1835—1993標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)乘員百分位的要求。將第5百分位和第95百分位的虛擬人偶模型分別載入到載員艙的模型當(dāng)中(見(jiàn)圖7和圖8)。2個(gè)模型的分析結(jié)果如圖9所示。
圖7 輪裝載員艙第95百分位虛擬人偶人因工程仿真模型
圖8 輪裝載員艙第5百分位虛擬人偶人因工程仿真模型
圖9 輪裝載員艙舒適度仿真結(jié)果
從圖6和圖9舒適度分析結(jié)果可以看出,各百分位的虛擬人偶模型在不同關(guān)節(jié)處都超過(guò)界限值,在分析條狀圖中呈淺色,將不同百分位的虛擬人偶模型不舒適處整理并進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表2)。
表2 不同百分位虛擬人偶關(guān)節(jié)不舒適處對(duì)比
從表2可以看出,I5和I50的上臂都處于低舒適狀態(tài),不利于長(zhǎng)期作業(yè),且I5更嚴(yán)重,I95的上臂處于舒適狀態(tài),通過(guò)對(duì)比觀察載員艙中3個(gè)不同百分位人物模型的上臂狀態(tài),可以發(fā)現(xiàn)承載攜行式電腦的臺(tái)板高度直接對(duì)上臂舒適狀態(tài)產(chǎn)生影響,I95身材高,手臂長(zhǎng),在現(xiàn)在的載員艙設(shè)計(jì)中,上臂抬起度低,更舒適。
對(duì)比三者的軀干斜倚舒適度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12984的最佳眼動(dòng)視覺(jué)條件以及GJB 1835—1993的人機(jī)工程規(guī)定做出約束條件。I5和I50為了上肢其他部位能在舒適區(qū)的情況下正常操作攜行式電腦,軀干需要前傾15°,而I95因?yàn)槭直坶L(zhǎng),軀干只需要前傾10°便能夠正常操作設(shè)備。
對(duì)比三者的大腿髖部舒適度,發(fā)現(xiàn)其直接和軀干、膝關(guān)節(jié)有關(guān),而后兩者受載員艙設(shè)備人機(jī)規(guī)定的約束,大腿髖部舒適度的調(diào)節(jié)是一個(gè)整體的過(guò)程。
對(duì)比載員艙仿真模型中3種不同百分位的虛擬人偶模型的舒適度分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同人物模型的大小在各關(guān)節(jié)部位的舒適度也不相同,在同樣關(guān)節(jié)處舒適的程度也不相同,為了更精確,統(tǒng)一描述人物模型的舒適度以及更加直觀反映載員艙結(jié)構(gòu)對(duì)虛擬人偶整體的舒適度,本文定義單項(xiàng)舒適度偏離度(Comfort Deviation)CDn,用于評(píng)價(jià)虛擬人偶整體的單項(xiàng)舒適度偏離度情況,公式如下:
(1)
定義總舒適度偏離度CDN,用于評(píng)價(jià)虛擬人偶整體的舒適度偏離度情況:
(2)
定義平均舒適度偏離度CDA,用于評(píng)價(jià)虛擬人偶平均舒適度偏離度情況:
(3)
將3個(gè)不同百分位的虛擬人偶的每項(xiàng)不同關(guān)節(jié)舒適度偏離度進(jìn)行比對(duì)分析,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 不同百分位虛擬人偶關(guān)節(jié)舒適度偏離度對(duì)比
從表3中可以看出,I50平均舒適度偏離度總分最低,說(shuō)明現(xiàn)在載員艙仿真模型最適合I50虛擬人偶模型工作,符合本文選取I50虛擬人偶作典型的設(shè)計(jì),再次調(diào)整上述I50中處于不舒適區(qū)的姿勢(shì),改進(jìn)如下。
1)載員艙臺(tái)板下降3.7 cm,攜行式計(jì)算機(jī)往人偶方向平移7.6 cm,虛擬人偶背部軀干依舊前傾,仍然處于低舒適度的情況下,調(diào)整其余關(guān)節(jié)姿勢(shì),使其他關(guān)節(jié)的舒適度與標(biāo)準(zhǔn)值相近,改進(jìn)方案如圖10所示。
圖10 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶人因工程仿真模型(改進(jìn)方案1)
2)載員艙臺(tái)板上升5 cm,攜行式計(jì)算機(jī)往人偶方向平移12 cm,在滿足視野約束條件下,虛擬人偶背部軀干靠在椅子上進(jìn)入舒適區(qū),其他關(guān)節(jié)至少進(jìn)入舒適區(qū),保證各關(guān)節(jié)條狀圖保持在深色范圍,盡量與標(biāo)準(zhǔn)值接近,改進(jìn)方案如圖11所示。
仿真模型改進(jìn)后,其分析結(jié)果如圖12所示。
將2種改進(jìn)方案的舒適度偏離度進(jìn)行比對(duì)分析,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。
圖11 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶人因工程仿真模型(改進(jìn)方案2)
圖12 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶舒適度仿真結(jié)果
表4 載員艙第50百分位虛擬人偶不同方案關(guān)節(jié)舒適度偏離度對(duì)比
從表4中可以看出,方案2的改進(jìn)方式的舒適度對(duì)比度最低,雖然方案2上臂及肩關(guān)節(jié)的舒適度偏離度比方案1的要高,但整體舒適程度比方案1要高,并能保證工作姿態(tài)的每個(gè)關(guān)節(jié)都在舒適區(qū)內(nèi)。
本文推薦以方案2的方式對(duì)整個(gè)載員艙設(shè)備進(jìn)行改進(jìn),并將第5百分位和第95百分位的虛擬人偶模型帶入對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證,分析結(jié)果如圖13所示。
將圖13的仿真結(jié)果與初始輪裝載員艙虛擬人偶的舒適度仿真結(jié)果(見(jiàn)圖9)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5和表6。
圖13 輪裝載員艙舒適度仿真結(jié)果
表5 載員艙第5百分位虛擬人偶不同方案關(guān)節(jié)舒適度偏離度對(duì)比
表6 載員艙第95百分位虛擬人偶不同方案關(guān)節(jié)舒適度偏離度對(duì)比
通過(guò)表5和表6可以看出,2個(gè)上下限身位的虛擬人偶在方案2改進(jìn)后的模型中舒適度偏離度有明顯的減少,舒適度程度提高,驗(yàn)證改進(jìn)方案可行。
Ovako Working Posture Analysis(工作姿勢(shì)分析,簡(jiǎn)稱OWAS))可以快速檢查工作姿勢(shì),評(píng)價(jià)基于背部、手臂和腿負(fù)載要求的工作姿勢(shì)的不適度。分配指示采取糾正措施緊迫性的評(píng)估姿勢(shì)分?jǐn)?shù),從而快速評(píng)估某種工作姿勢(shì)對(duì)乘員造成損害或傷害的可能性大小,從而設(shè)計(jì)新的工作場(chǎng)所,讓乘員獲得更舒適的工作場(chǎng)所和更完善的生產(chǎn)質(zhì)量。
OWAS有4個(gè)糾正等級(jí)1~4,其隨級(jí)數(shù)增加不適感增加,為了再次驗(yàn)證載員艙設(shè)備的改進(jìn)方案,用OWAS對(duì)2種改進(jìn)方案進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖14~圖16所示。
圖14 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶OWAS仿真結(jié)果(初始方案)
圖15 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶OWAS仿真結(jié)果(改進(jìn)方案1)
圖16 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶OWAS仿真結(jié)果(改進(jìn)方案2)
對(duì)比圖14~圖16可以看出,初始方案和改進(jìn)方案1的OWAS評(píng)估都在2級(jí),改進(jìn)方案2的OWAS為1級(jí),說(shuō)明用方案2來(lái)改進(jìn)載員艙內(nèi)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備安裝可以讓人的工作姿勢(shì)更舒服,對(duì)人的傷害更低。椅子靠背的傾角為105°,緩解了背部疲勞,更加貼合人體脊柱S型曲線[11-12]。
Lower Back Analysis下背部分析工具可以分析特定環(huán)境下人體脊椎受力對(duì)下背部的影響。通過(guò)該工具判斷仿真工作任務(wù)是否符合[NIOSH]的標(biāo)準(zhǔn),以及是否會(huì)令載員下背部的受傷概率增加。分析結(jié)果如圖17~圖19所示。
圖17 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶下背部分析仿真結(jié)果(初始方案)
圖18 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶下背部分析仿真結(jié)果(改進(jìn)方案1)
圖19 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶下背部分析仿真結(jié)果(改進(jìn)方案2)
對(duì)比圖17~圖19可以發(fā)現(xiàn),3種方案的背部受力均在安全范圍內(nèi),但方案2改進(jìn)后下背部受力更小,驗(yàn)證了方案改進(jìn)的合理性。
本文基于Jack軟件對(duì)某輪式裝甲車(chē)載員艙人因工程中的舒適度、工作姿勢(shì)、下背部受力等工效進(jìn)行分析,仿真分析研究表明,改進(jìn)方案2的人因工程設(shè)計(jì)可以使工作人員在載員艙獲得更加舒適的工作姿態(tài),對(duì)以后載員艙人因工程的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
本文主要面向簡(jiǎn)單的人機(jī)交互,完成了仿真模型的建立及人因工程設(shè)計(jì),后續(xù)為滿足我軍裝甲車(chē)對(duì)指揮通信的需求,會(huì)持續(xù)建立更加復(fù)雜的裝備內(nèi)部模型,開(kāi)展輪式裝甲裝備全系統(tǒng)人因工程分析;同樣,此次的偏離度計(jì)算平均了各關(guān)節(jié)的重要性,后期會(huì)根據(jù)我軍實(shí)際情況增加各關(guān)節(jié)舒適度單項(xiàng)權(quán)重,有針對(duì)性地開(kāi)展人機(jī)工效仿真。